第十四章 内能的利用

疑难解题技巧

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导

讲

义

资料来源：物理教学云

资料收集：李荣智

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第十四章 《内能的利用》 疑难解题技巧

资料来源：物理教学云 资料收集：李荣智

一、汽油机和柴油机有何异同?

汽油机 柴油机

不

同

点

构造(汽缸顶部) 火花塞 喷油嘴

吸气冲程(吸入物质) 汽油与空气 空气

点燃方式 点燃式 压燃式

效率 低 高

应用 小型汽车、摩托车 载重汽车、大型拖拉机

相同点:①吸气冲程、压缩冲程和排气冲程是依靠飞轮的惯性来完成的，而做功

冲程是内燃机中唯一对外做功的冲程。②做功冲程将内能转化为机械能，压缩冲程将

机械能转化为内能。③每完成一个工作循环，包括 4 个冲程，曲轴和飞轮转动 2 周，

活塞往复 2 次，对外做功 1 次。（14221）

【典例剖析】

例 1.根据汽油机和柴油机的区别，下列说法正确的是( )

A.汽油机汽缸顶部有一个火花塞，柴油机汽缸顶部是一个喷油嘴

B.汽油机吸入的是空气，柴油机吸入的是空气和柴油的混合物

C.内能转化为机械能

D.压缩冲程是内能转化为机械能

解析:A.汽油机汽缸顶部有一个火花塞,柴油机汽缸顶部是一个喷油嘴。此选项正

确;

B.工作过程中，汽油机吸入的是空气和汽油的混合物，柴油机吸入的是空气。此选

项错误;

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C.做功冲程将内能转化为机械能。此选项错误；

D.压缩冲程将机械能转化为内能。此选项错误。故选 A。

例 2.汽油机和柴油机有很多的异同点，下列有关四冲程汽油机和柴油机的异同点说

法不正确的是（ ）

A.汽油机和柴油机都是内燃机

B.在吸气冲程中，汽油机吸入的只有空气，柴油机吸入的是柴油和空气的混合物

C.汽油机和柴油机的一个工作循环对外只做一次功，活塞往复两次

D.柴油机压缩冲程末的温度比汽油机高，燃料燃烧更完全，效率比汽油机高

解析:A、柴油机和汽油机都属于内燃机,工作过程中将燃料燃烧释放出的内能转化

为活塞的机械能。故 A 正确;

B、工作过程中，汽油机吸入的是空气和汽油的混合物，柴油机吸入的是空气。故 B

错误:

C、四冲程汽油机和柴油机的一个工作循环，四个冲程，活塞往复运动两次，曲轴

连杆转两周，飞轮转两周，只有做功冲程对外做功一次，把内能转化为机械能，其它三

个冲程靠飞轮的惯性完成。故 C 正确;

D、柴油机的效率比汽油机的效率高，是因为柴油机在吸气冲程中吸入的是空气，

在压缩冲程中压缩程度大，做有用功的能量和燃料完全燃烧放出的热量的比值大，与热

值大小无关。故 D 正确。故选 B。

例 3.一台单缸四冲程汽油机，飞轮转速是 2400r/min，该汽油机每秒钟内完成 次

冲程，做功 次，在做功冲程将 能转化为 能。

解析:四冲程汽油机的飞轮转速为 2400r/min，则该飞轮每秒钟转 40 圈。因为一个

工作循环飞轮转 2 圈，完成四个工作冲程，做功 1 次，所以飞轮转 40 圈，共 80 个冲程，

对外做功 20 次;

内燃机在做功冲程中将内能转化为了机械能。

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二、如何识别汽油机的冲程?

【解题技巧】首先要熟悉汽油机的主要结构以及做功冲程和压缩冲程中能量的转化，

辨别冲程时，要抓住四个冲程中的工作特点:进气门、排气门的开、闭情况以及活塞上、

下运行情况；另外还要把握住吸气冲程、做功冲程和排气冲程的显著特点:做功冲程中

的显著特点是火花塞产生电火花;吸气冲程和排气冲程有吸入物质和排出废气的箭头标

识。

【典例剖析】如图是四冲程汽油机工作的四个冲程示意图，其中使汽车获得动力的

冲程是( )

解析:由上述分析可知，使汽车获得动力的冲程是做功冲程，这一冲程中，将内能

转化为机械能。

A、两气门都关闭，活塞下行，汽扛容积变大，是做功冲程;符合题意;

B、两气门都关闭，活塞上行，汽缸容积变小，是压缩冲程;不符合题意;

C、排气门开启，气体流出汽缸，是排气冲程:不符合题意:

0、进气门开启，气体流入汽缸，是吸气冲程;不符合题意;故选 A。

三、如何解答有关能量的相互转化问题?

【解题技巧】自然界中各种形式的能量不能孤立的，不同形式的能量会发生相互转

化，能量也会在不同的物体间相互转移。能量转化是个普遍现象，自然界中物质运动形

式的变化总伴随着能量的相互转化。解答此类问题的关键是明确消耗了什么形式的能，

而最终获得了什么形式的能。

【典例剖析】

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例 1.生活中能量转化的实例很多，下列描述中，错误的是( )

A.摩擦生热是把机械能转化为内能

B.摩擦起电是把电能转化为机械能

C.电动机带动水泵把水送到高处是把电能转化为机械能

D.燃料燃烧放热是把化学能转化为内能

解析:A.摩擦生热是克服摩擦做功，把机械能转化为内能，故 A 正确;

B.摩擦起申是电子的转移，可以地机械能转化为申能，故 B 错误。

C.电动机带动水泵把水送到高处是把电能转化为机械能，故 C 正确;

D.燃料燃烧放热是把自身蕴含的化学能转化为内能，故 D 正确。故选 B.

例 2.太阳能是人类优先开发和利用的新能源之一，关于太阳能的利用，下列说法正

确的是( )

A.图甲中，绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能

B.图乙中，太阳能热水器通过做功方式将太阳能转化为水的内能

C.图丙中，太阳能交通信号灯将太阳能直接转化为信号灯的光能

D.图丁中，首架环球航行的太阳能飞机将太阳能直接转化为飞机的机械能

解析:A.绿色植物的光合作用是将光能转化为化学能，储存在植物体内，故 A 正确;

B.太阳能热水器内的水从太阳吸收热量，内能增加、温度升高，是通过热传递的方

式增加水的内能，故 B 错误;

C.太阳能信号灯先将太阳能先转化为电能，再转化为光能，故 C 错误;

D.太阳能飞机是先将太阳能转化为电能，再转化为机械能，故 D 错误。故选 A。

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四、如何计算能量转化型热量计算题?

【解题技巧】

1、化学能转化为内能：Q 放=mq 或 Q 放=Vq(燃料燃烧)

2、太阳能转化为内能 Q 吸=cm·△t，Q 放=E 太

3、电能、机械能转化为内能 Q 吸=cm·△t，Q 放=W 电(机)

[备注]无论是能量转移型，还是能量转化型，若无能量损失，则 Q 吸=Q 放=E 太=W 电(机);

若有能量损失，则 Q 吸=ηQ 放=ηE 太=ηW 电(机)(η为转移(转化)效率)

【典例剖析】

【类型一:机械能转化内能】

例 1.委内瑞拉安赫尔瀑布是世界上最高的瀑布，也叫做丘伦梅鲁瀑布，瀑布总落差

可达到 979m。如果水下落时重力做功的 50%转变为水的内能，则质量为 m 的水从该瀑布

顶端下落到底端温度升高了多少℃?(计算结果保留到小数点后一位)

解析:水下落过程中重力做功: W=Gh=mgh，

转化成水的内能:Q=W×50%=mgh×50%，

由 Q=cmΔt可得水升高的温度:

∆t =

Q

cm

=

mgh × 50%

cm

=

gh × 50%

c

=

10 × 979 × 50%

4.2 × 103

≈ 1.2℃

【类型二:内能转移型】

例 2.天然气是一种热值高、污染小的清洁能源，2016 年三明市迎来了天然气时代，

完全燃烧 0.035m3 的天然气放出多少焦的热量?若这些热量完全被水吸收，能使多少千

克的水温度升高 50℃?(水的比热容 c=4.2×103

J/(kg·℃)，天然气的热值取 q=4×

107

J/m3

)

解析:(1)完全燃烧 0.035m3的天然气放出的热量:

Q 放=Vq=0.035m3×4×107

J/m3

=1.4×106

J;

(2)由 Q 吸=cmΔt可得，这些热量完全被水吸收后可加热水的质量:

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m =

Q

c ∙ ∆t

=

1.4 × 106

4.2 × 103 × 50 ≈ 6.67kg

【类型三:太阳能转化为内能】

例 3.小明家里每天的生活用热水原来都使用液化石油气烧，

现为了节约家庭开支，她家新安装了一台太阳能热水器。

(1)若使用这台太阳能热水器，每天可将 100kg 的水从 20℃

加热到 60℃，这些水吸收的热量是多少?(水的比热容是 4.2×103

J/(kg·℃))

(2)若使用液化石油气烧这些水，已知液化石油气完全燃烧放出的热量有 50%被水吸

收，那她家改用太阳能热水器后平均每天可节约液化石油气多少 kg?(液化石油气的热

值是 8.0×107

J/kg)

解析:(1)知道水的质量、水的比热容、水的初温和末温，利用吸热公式 Q=cm△t 求

水吸收的热量;

(2)由题知，液化石油气燃烧放出的热量有 50%被水吸收，

即 Q 吸=Q 放×50%，再利用 Q 放=mq 求需要完全燃烧的液化石油气的质量，即每天节约

的液化石油气质量。

解:(1)水吸收的热量:

Q 吸=cm△t

=4.2×103

J/(kg℃)×100kg×(60℃-20℃)=1.68×107

J;

(2)∵Q 吸=ηQ 放，

∴

?放 =

?吸

?

=

1.68 × 107

50% = 3.36 × 107

?

又∵Q 放=m 气 q 气，

∴

?气 =

?放

?气

=

3.36 × 107

8.0 × 107 = 0.42??

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【类型四:能量转化与功和机械能的计算综合型】

例 4.如图所示为 FDP30C 型柴油水泵机组(水泵机组动力由柴油机提供)，它的优点

是重量轻、体积小、功率大；省时、省油、省心。该水泵机组的效率为 40%，正常工作

1 小时可以将 54m3 的水抽到 20m 高处，请计算这个过程

中:(g=10N/kg，q 柴油=4.3×107

J/kg)。

(1)水泵机组对水做了多少功?

(2)水泵机组的有用功功率是多少?

(3)水泵机组消耗多少柴油?(结果保留两位小数)

解析:(1)1h 所抽送的水的体积为:V=54m3

这些水的重力大小:

G=mg=ρ水 Vg=10×103

kg/m3×54m3×10N/kg=5.4×105

N，

这些水被提升的高度为 h=20m，所做的有用功为:

W 有=Gh=5.4×105

N×20m=1.08×107

J;

(2)水泵机组的有用功功率:

P =

W

t

=

1.08 × 107

J

3600s = 3000W

(3)因为水泵的效率为η=40%，

根据

η =

W有

Q

可得，柴油完全燃烧所放出的热量:

Q =

W有

η

=

1.08 × 107

J

40% = 2.7 × 107

J

则消耗柴油的质量为:

m =

Q

q

=

2.7 × 107

J

4.3 × 107J/kg ≈ 0.63kg

五、如何解答与内燃机做功冲程有关的综合计算题?

【解题技巧】此类型题综合考查压强公式、做功公式、燃料完全燃烧释放热量公式、

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效率公式的应用，难度大。思路如下:

(1)首先，根据燃气的平均压强 p 和活塞的面积 S。利用 F=pS 可求出做功冲程中燃

气对活塞的平均压力;

(2)其次，根据活塞在气缸中移动的距离，利用 W=Fs 可求出一个做功冲程燃气对活

塞做的功。根据飞轮(曲轴)每转两圈对外做功一次，计算出飞轮转动 n 周对外做功的次

数，从而可求出燃气对活寒做的总功 W 总=nW。

(3)最后根据消耗汽油的质量，利用 Q 放=mq 可求出汽油完全燃烧释放的热量，再根

据：

η =

Q吸

Q放

× 100%

求出该汽油机的效率。

【典例剖析】

例 1.某单缸四冲程汽油机的汽缸活塞面积为 30cm3，一个冲程活塞在汽缸中的移动

距离是 50mm，满负荷工作时做功冲程燃气的平均压强为 9.0×105

Pa，飞轮 1min 转动

1800r/min，当汽油机满负荷工作时(不计摩擦)，若 1min 消耗汽油 0.008kg，汽油的热

值为 4.6×107

J/kg，求:

(1)做功冲程中燃气对活塞的平均压力;

(2)一个做功冲程中燃气对活塞做的功;

(3)该汽油机的效率。

(4)若燃气对活塞的平均压强为 p，设活塞的面积为 S，冲程

长为 L，汽缸工作容积(单缸排量)为 V，如图所示，请推导出一个做功冲程燃气对活塞

做的功 W=pV。

解析:(1)由 p=F/S 可得，燃气对活塞的平均压力:

F=pS=9.0×105

Pa×30×10-4

m

2

=270ON;

(2)一个做功冲程中燃气对活塞做的功:

W=Fs=2700N×50×10-3

m=135J

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(3)因飞轮每转两圈对外做功一次，所以，飞轮 1min 转动 1800 周，做功 900 次，

则燃气对活塞做的总功:

W 总=W×900=135Jx900=1.215×105

J，

1min 消耗汽油完全燃烧释放的热量:

Q 放=mq=0.008kg×4.6×107

J/kg=3.68×105

J,

该汽油机的效率：

η =

W总

Q放

× 100% =

1.215 × 105

J

3.68 × 105J

× 100% ≈ 33%

(4)由 p=F/S 可得，活塞受到的压力:F=pS，

因在做功冲程，活塞移动的距离为 L，且发动机的单缸排量 V=SL，所以，燃气对活

塞所做的功：W=FL=pSL=pV。

例 2.某型号四冲程柴油机，气缸横截面积为 S0cm

2，活塞行程为 Lcm，做功冲程燃

气的平均压强为 P0Pa，飞轮转速为 Nr/min，求:

(1)一次做功冲程中气体对活塞做功多少?

(2)这台柴油机功率是多少?

(3)若该车以 100km/h 的速度行驶时百公里油耗为 V0L，已知柴油的密度为ρ0kg/m3，

热值为 q0J/kg，求这辆柴油车的效率是多少。

解析:(1)燃气对活塞的平均压力:F=p0S0×10-4

;

一个做功冲程中燃气对活塞做的功:

W1=FL=p0S0×10-4

L×10-2

J=p0S0×10-6

LJ=p0S0L×10-6

J

(2)飞轮转速:Nr/min=Nr/60s=N/60 (r/s)

因为一个工作循环飞轮转 2 圈，完成 4 个冲程，做功一次，所以每秒共有 N/120 个

工作循环，对外做功 N/120 次；该柴油机每秒做的功：

W =

N

120 p0S0 × 10−6LJ

柴油机的功率为:

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P =

W

t

=

N

120 p0S0 × 10−6LJ

1s =

N

120 p0S0L × 10−6W

(3)该车以 100km/h 的速度行驶时百公里所用时间为 1h=60min，若该车以 100km/h

的速度行驶时百公里油耗为 V0L，则 1min 消耗柴油的体积为 V0/60L，该柴油机 1min 消

耗柴油的质量:

m = ρ0

V0

60

× 10−3kg

效率:

η =

W

Q

=

W

mq0

=

60 ×

N

120 p0S0L × 10−6

q0 × ρ0

×

V0

60 × 10−3

× 100%

=

Np0S0L × 10−2

3q0ρ0

V0

× 100%

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